第9章壓電測(cè)量技術(shù)ppt課件

1、第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，其表面將產(chǎn)生電荷，當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，其表面將產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。 利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測(cè)量力和能利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測(cè)量力和能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。 由于壓電效應(yīng)是可逆的，在壓電材料的一定方向施由于壓電效應(yīng)是可逆的，在壓電材料的一定方向施加電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生變形，因此壓電傳感器是雙向傳加電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生變形，因此壓電傳感器是雙向傳感器。感

2、器。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冋龎弘娦?yīng)：有些材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變。作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變。逆壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就會(huì)產(chǎn)逆壓電效應(yīng)：在這些材料的極化方向施加電場(chǎng)，它們就

3、會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”，或稱為，或稱為“電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)”。 壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常數(shù) 壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。 以晶體為例，以晶體為例， 設(shè)有一用晶體制成的壓電設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力元件受到力F F作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷表面電荷Q Q，力，力F F與電荷與電荷Q Q之間存在如下關(guān)之間存在如下關(guān)系系 ：FdQd 壓電常數(shù)壓電常數(shù)第第9 9

4、章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面不同的受力方向及不同表面上電荷積累是不同的。用單位面積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時(shí)，得到：積上的力和電荷來表征壓電效應(yīng)時(shí)，得到： jijjidP j方向受力時(shí)在方向受力時(shí)在i方方向上電荷積累的表面向上電荷積累的表面密度密度(即沿即沿i方向的極方向的極化強(qiáng)度化強(qiáng)度)； 沿方向沿方向j j施加外力時(shí)，施加外力時(shí)，單位面積上感受的應(yīng)單位面積上感受的應(yīng)力；力； 壓電常數(shù)壓電常數(shù)( j方向受方向受應(yīng)力，在應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電方向產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)荷時(shí)的壓電常數(shù))。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常

5、數(shù)dij有兩個(gè)下腳注有兩個(gè)下腳注 :第第1個(gè)下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的個(gè)下腳注：表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于表面垂直于x軸軸(y軸或軸或z軸軸)，記作，記作i=1或或2或或3）。）。 第第2個(gè)下腳注：個(gè)下腳注：j=1或或2、3、4、5、6，分別表示在沿，分別表示在沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、軸、y軸、軸、z軸的平面內(nèi)作用的剪切力。軸的平面內(nèi)作用的剪切力。 jijjidP第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由晶體在任意受力狀態(tài)下所產(chǎn)生的表面電荷密度可由下列方程組決

6、定：下列方程組決定： 636535434333232131362652542432322212126165154143132121111ddddddPddddddPddddddPP1、P2、P3：分別為在垂直于：分別為在垂直于x軸、軸、y軸和軸和z軸的表面上產(chǎn)生的軸的表面上產(chǎn)生的總的電荷密度；總的電荷密度； 1、 2 、 3：表示晶體分別沿：表示晶體分別沿x軸、軸、y軸、軸、z軸方向所受的外軸方向所受的外力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力；力分量產(chǎn)生的拉或壓應(yīng)力； 4、 5、 6：為剪切應(yīng)力分量。：為剪切應(yīng)力分量。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 晶體壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常晶體壓電材

7、料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下：數(shù)矩陣表示如下： 363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 得到石英晶體的正壓電效應(yīng)張量表達(dá)式：得到石英晶體的正壓電效應(yīng)張量表達(dá)式：654321111414111132100000020000000dddddPPP則石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：則石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：000000200000001114141111ddddd第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) khkhEd（k=1、2、3；h=1、2、3、4、5、6） 沿沿h方向的應(yīng)變。方向

8、的應(yīng)變。 沿沿k方向施加的電場(chǎng)。方向施加的電場(chǎng)。 hkE石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示：石英晶體的逆壓電效應(yīng)可用下列形式表示： 321111414111165432102000000000000EEEddddd第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 結(jié)論：結(jié)論：1 1有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此方應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)。向上必定存在逆壓電效應(yīng)。2 2逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)逆壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)相等，且一一對(duì)應(yīng)。

9、一般有：逆壓電效應(yīng)中壓電相等，且一一對(duì)應(yīng)。一般有：逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩常數(shù)矩陣是正壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。陣。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電常數(shù)壓電常數(shù)dijdij的物理意義的物理意義 在在“短路條件下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。短路條件下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。 “ “短路條件是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)短路條件是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在生就被引開，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)二次效應(yīng)的理想條件。壓電常數(shù)的理想條件。壓電常數(shù)d d有時(shí)也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。有時(shí)也稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。

10、第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) （1壓電常數(shù)壓電常數(shù)g：它表示在不計(jì)：它表示在不計(jì)“二次效應(yīng)的條件下，每單二次效應(yīng)的條件下，每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度，因此有時(shí)也稱為壓電電壓位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度，因此有時(shí)也稱為壓電電壓常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)常數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)d除以晶體的絕對(duì)介電常數(shù)，即：除以晶體的絕對(duì)介電常數(shù)，即： 0rdg （2壓電常數(shù)壓電常數(shù)h：它表示在不計(jì)：它表示在不計(jì)“二次效應(yīng)條件下，每單位二次效應(yīng)條件下，每單位機(jī)械應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。因而機(jī)械應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。因而h常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓常數(shù)應(yīng)關(guān)系到壓電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等

11、于壓電常數(shù)電晶體材料的機(jī)械性能參數(shù)，數(shù)值上等于壓電常數(shù)g和晶體的和晶體的楊氏模量楊氏模量E的乘積：的乘積：gEh 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.2 壓電材料壓電材料選擇壓電材料的要求：選擇壓電材料的要求： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱電性能：希望具有

12、高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較寬的工作溫度范圍；寬的工作溫度范圍； 時(shí)間穩(wěn)定性時(shí)間穩(wěn)定性 : : 壓電特性不隨時(shí)間蛻變。壓電特性不隨時(shí)間蛻變。 壓電晶體分類：壓電晶體分類：?jiǎn)尉w：石英晶體等單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等多晶體：壓電陶瓷等第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 石英晶體石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。 構(gòu)造：石英晶體屬六方晶體，有構(gòu)造：

13、石英晶體屬六方晶體，有右旋石英晶體和左旋石英晶體之右旋石英晶體和左旋石英晶體之分，其理想外形共包括三十個(gè)晶分，其理想外形共包括三十個(gè)晶面，分成五組。以面，分成五組。以 m、R、r、s和和x表示。六個(gè)表示。六個(gè)m面也稱柱面，六個(gè)面也稱柱面，六個(gè)R面也稱大棱面，六個(gè)面面也稱大棱面，六個(gè)面r也稱為也稱為小棱面，還有六個(gè)小棱面，還有六個(gè)s面和六個(gè)面和六個(gè)x面。面。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) x軸：與軸：與z軸垂直的平面上，并通過相對(duì)兩棱的直線軸垂直的平面上，并通過相對(duì)兩棱的直線(有三個(gè)有三個(gè))，又稱為電軸。又稱為電軸。y軸：與軸：與x軸、軸、z軸垂直的是軸垂直的是y軸，又稱為機(jī)械軸；軸，

14、又稱為機(jī)械軸；z軸：晶體對(duì)稱軸，又稱為光軸；軸：晶體對(duì)稱軸，又稱為光軸；x切割：截得的壓電元件之兩個(gè)端面與切割：截得的壓電元件之兩個(gè)端面與x軸相垂直；軸相垂直；y切割：截得的壓電元件中的兩個(gè)端面與切割：截得的壓電元件中的兩個(gè)端面與y軸相垂直。軸相垂直。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng)a) a) 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)xxFdQdFQ11第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電效應(yīng) b) b) 橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電晶體的三種壓電效應(yīng)壓電晶體的三種壓電

15、效應(yīng)c) c) 切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在2020200200范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/-0.016%/，在溫度較低時(shí)，壓電常數(shù)的變化很小。在溫度較低時(shí)，壓電常數(shù)的變化很小。 居里點(diǎn)：居里點(diǎn)：573 573 石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。石英晶體的相對(duì)介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)由于溫機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。度變化導(dǎo)

16、致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。組成。1 1極化前極化前 它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇構(gòu)造。電疇構(gòu)造。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：“電電疇是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任疇是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任意排列的，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，意排列的，雖然每個(gè)單晶具有強(qiáng)壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。 原始的壓

17、電陶瓷是一個(gè)非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。原始的壓電陶瓷是一個(gè)非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 2 2極化后極化后極化處理：在一定極化處理：在一定 溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)的方向。使極性轉(zhuǎn)動(dòng)到接近電場(chǎng)的方向。 壓電陶瓷 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，在極化方向下，各向同這個(gè)方向就是壓電陶瓷的極化方向，在極化方向下，各向同性受到破壞，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。當(dāng)電場(chǎng)丟性受到破壞，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。當(dāng)電場(chǎng)丟掉后，壓電陶瓷仍存在著很強(qiáng)的剩余極

18、化，類似于鐵磁物質(zhì)在掉后，壓電陶瓷仍存在著很強(qiáng)的剩余極化，類似于鐵磁物質(zhì)在磁場(chǎng)中被磁化的現(xiàn)象，它們被極化的過程和鐵磁材料被磁化的磁場(chǎng)中被磁化的現(xiàn)象，它們被極化的過程和鐵磁材料被磁化的過程極其相似。過程極其相似。 當(dāng)這種經(jīng)極化后的鐵電體在受到外力作用時(shí)，其剩余極化強(qiáng)當(dāng)這種經(jīng)極化后的鐵電體在受到外力作用時(shí)，其剩余極化強(qiáng)度將隨之變化，所以也表現(xiàn)出壓電特性。顯然這種材料的壓電度將隨之變化，所以也表現(xiàn)出壓電特性。顯然這種材料的壓電特性在極化方向上是最顯著的。極化方向定義為特性在極化方向上是最顯著的。極化方向定義為z z軸。軸。 壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。第第9 9章章 壓電

19、測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電陶瓷的種類壓電陶瓷的種類 : 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷系壓電陶瓷 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷鈮鎂酸鉛壓電陶瓷PMN) 鈮酸鹽系壓電陶瓷鈮酸鹽系壓電陶瓷需要指出需要指出: 通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明顯的熱釋電效應(yīng)。顯的熱釋電效應(yīng)。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) （1厚度變形簡(jiǎn)稱為厚度變形簡(jiǎn)稱為TE方式）方式） 利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷可用下式計(jì)算： xxxxdP11xxxxFdQ11或或壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件的結(jié)構(gòu)形式 壓

20、電元件是用壓電材料制成的力壓電元件是用壓電材料制成的力電轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換元件。壓電元件有五種基本變形形式元件。壓電元件有五種基本變形形式 :第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) （2長(zhǎng)度變形簡(jiǎn)稱為長(zhǎng)度變形簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)E方方 式）式）利用石英的橫向壓電效應(yīng)，計(jì)算公式為利用石英的橫向壓電效應(yīng)，計(jì)算公式為yyXXdP12yyxxyyxxSSFdQ12 在壓電式傳感器中，不少是利用縱向壓電效應(yīng)的，這時(shí)所用壓電元件大都為圓形薄片。為增大輸出，常采用多片結(jié)構(gòu)，最多可達(dá)8片。或或 利用橫向壓電效應(yīng)時(shí)，常采用雙利用橫向壓電效應(yīng)時(shí)，常采用雙片彎曲式結(jié)構(gòu)。在圖片彎曲式結(jié)構(gòu)。在圖a中，當(dāng)自由中，當(dāng)自由端受力時(shí)，它就產(chǎn)生形

21、變，放大后的端受力時(shí)，它就產(chǎn)生形變，放大后的形變?nèi)鐖D形變?nèi)鐖Db所示。所示。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) （3厚度剪切變形厚度剪切變形 利用剪切壓電效應(yīng)的利用剪切壓電效應(yīng)的壓電元件除采用片狀結(jié)構(gòu)壓電元件除采用片狀結(jié)構(gòu)形式外，還可采用管狀壓形式外，還可采用管狀壓電陶瓷，這種結(jié)構(gòu)的極化電陶瓷，這種結(jié)構(gòu)的極化方向有平行于軸線的和徑方向有平行于軸線的和徑向的兩種。向的兩種。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.3 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路9.3.1 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。 當(dāng)它受

22、到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或當(dāng)它受到外力作用時(shí)，就會(huì)在垂直于電軸或垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個(gè)表面垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個(gè)表面上聚集正電荷，在另一個(gè)表面上聚集等量的負(fù)電上聚集正電荷，在另一個(gè)表面上聚集等量的負(fù)電荷。荷。 可以把壓電式傳感器看作一個(gè)靜電電容器?？梢园褖弘娛絺鞲衅骺醋饕粋€(gè)靜電電容器。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 電容量電容量: tstsCra0S電容器極板面積；電容器極板面積；t壓電元件厚度壓電元件厚度壓電材料的介電常數(shù)；壓電材料的介電常數(shù)；0真空的介電常數(shù)；真空的介電常數(shù)；r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料不同

23、而變。不同而變。 Ca壓電元件的內(nèi)部電容。壓電元件的內(nèi)部電容。 1.等效電路等效電路1電荷源電荷源 可等效成為一個(gè)電荷可等效成為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容的等效電源和一個(gè)電容的等效電路。路。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 電容器上的電壓電容器上的電壓Ua開路電壓）、電荷開路電壓）、電荷Q與電容與電容Ca之間存在著以下關(guān)系：之間存在著以下關(guān)系： aaCQU2)電壓源電壓源可以等效為一個(gè)電壓源可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)串聯(lián)電容表示的和一個(gè)串聯(lián)電容表示的電壓等效電路。電壓等效電路。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 2.提高靈敏度的方法提高靈敏度的方法 在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片

24、或兩片以上在壓電式傳感器中，壓電元件常用兩片或兩片以上組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。組合在一起。由于存在極性，因此有兩種連接方法。1并聯(lián)法并聯(lián)法 兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種連接方法稱為并聯(lián)，其輸出電容C為單片電容的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓Ua，極板上電荷量Q為單片電荷量Q的兩倍:Q=2Q ; U=Ua ; C= 2 Ca第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 2)串聯(lián)法串聯(lián)法 正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。 Q=Q ; U=2Ua ; C= 2aC比較：

25、并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大因而接上比較：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大因而接上負(fù)載后時(shí)間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)負(fù)載后時(shí)間常數(shù)大），宜用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合，相對(duì)來說允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低。串聯(lián)接法合，相對(duì)來說允許被測(cè)對(duì)象變化頻率稍低。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量輸出電壓大，本身電容小，宜用于以電壓作為輸出量的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。的場(chǎng)合，要求后續(xù)電路有較大的輸入阻抗。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.3.2 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 1測(cè)量系統(tǒng)框圖測(cè)量系統(tǒng)框圖第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù)

26、2等效電路等效電路 Ra為傳感器的絕緣電阻；為傳感器的絕緣電阻； Ri為前置放大器的輸入電阻；為前置放大器的輸入電阻； Ca為傳感器內(nèi)部電容為傳感器內(nèi)部電容 Cc為電纜電容；為電纜電容； Ci為前置放大器輸入電容。為前置放大器輸入電容。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 靈敏度有兩種靈敏度有兩種:電壓靈敏度電壓靈敏度Ku:單位力的電壓?jiǎn)挝涣Φ碾妷? Ku=U/F電荷靈敏度電荷靈敏度Kq:單位力的電荷單位力的電荷; Kq=Q/F兩種靈敏度的關(guān)系兩種靈敏度的關(guān)系:3壓電傳感器的靈敏度壓電傳感器的靈敏度aCKKQU第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.4 9.4 測(cè)量電路測(cè)量電路 1.

27、引言引言 壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，要將其進(jìn)行放大壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，要將其進(jìn)行放大才能測(cè)量出來。才能測(cè)量出來。 壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng)高，不是普通放大器能放壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng)高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的問題外，連接電纜的長(zhǎng)度、大的。而且，除阻抗匹配的問題外，連接電纜的長(zhǎng)度、噪聲都是突出的問題。噪聲都是突出的問題。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 前置放大器作用前置放大器作用將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出;起放大傳感器微弱信號(hào)的作用。起放大傳感器微弱信號(hào)的作用。 傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)傳感器的輸出可以是

28、電壓信號(hào)(把傳感器看作電壓把傳感器看作電壓發(fā)生器發(fā)生器)；也可以是電荷信號(hào)；也可以是電荷信號(hào)(把傳感器看作電荷發(fā)生把傳感器看作電荷發(fā)生器器) 傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 前置放大器有兩種：前置放大器有兩種：電壓放大器電壓放大器: 輸出電壓與輸入電壓傳感器的輸出電輸出電壓與輸入電壓傳感器的輸出電壓成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換壓成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；器；電荷放大器電荷放大器: 輸出電壓與輸入電荷成比例。輸出電壓與輸入電荷成比例。主要區(qū)別：主要區(qū)別： 使用電壓放大器時(shí)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜

29、電容的使用電壓放大器時(shí)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜電容的變化非常敏感，尤其電纜長(zhǎng)度變化更為明顯變化非常敏感，尤其電纜長(zhǎng)度變化更為明顯; 使用電使用電荷放大器時(shí)，電纜長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。荷放大器時(shí)，電纜長(zhǎng)度變化的影響可忽略不計(jì)。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.4.1 電壓放大器電壓放大器 電容器放電特性：電容器放電特性： 電容器兩端的電壓將按指數(shù)電容器兩端的電壓將按指數(shù)規(guī)律變化，放電的快慢決定于測(cè)規(guī)律變化，放電的快慢決定于測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)量回路的時(shí)間常數(shù) ， 越大，越大，放電越慢；反之，放電就越快。放電越慢；反之，放電就越快。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 可見：只有

30、在測(cè)量回路開路情況，也就是傳感器可見：只有在測(cè)量回路開路情況，也就是傳感器本身的絕緣電阻本身的絕緣電阻Ra無限大的情況，才能使傳感器的輸無限大的情況，才能使傳感器的輸出電壓或電荷保持不變出電壓或電荷保持不變; 如果傳感器本身的絕緣電阻不是足夠大，電荷就如果傳感器本身的絕緣電阻不是足夠大，電荷就會(huì)通過這個(gè)電阻很快漏掉。會(huì)通過這個(gè)電阻很快漏掉。 傳感器與測(cè)量?jī)x器連接應(yīng)考慮傳感器與測(cè)量?jī)x器連接應(yīng)考慮:電纜電容電纜電容;前置放大器的輸入電容和輸入電阻前置放大器的輸入電容和輸入電阻; 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 等效電阻等效電阻R ：iaiaRRRRR等效電容等效電容C：icaCCCCRa

31、:傳感器的絕緣電阻；傳感器的絕緣電阻；Ri:前置放大器的輸入電阻；前置放大器的輸入電阻；Ca:傳感器內(nèi)部電傳感器內(nèi)部電;Cc:電纜電容；電纜電容；Ci:前置放大器輸入電容。前置放大器輸入電容。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 前置放大器的輸入電壓前置放大器的輸入電壓 為為 srURCRIUsrj1 設(shè)作用在壓電元件上的力為F，其幅值為Fm，頻率為。即 F=FmSint在力F的作用下，產(chǎn)生的電荷Q為 Q=dF 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) tCosdFtQimdd寫成復(fù)數(shù)形式寫成復(fù)數(shù)形式 FdIjRCRFdUsrj1j前置放大器的輸入電壓的幅值前置放大器的輸入電壓的幅值Ui

32、m22)()(1icamimCCCRRdFU第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 輸入電壓與作用力之間的相位差用輸入電壓與作用力之間的相位差用 為為RCCCica)(arctan2 理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電阻Ri都為無限大，即等效電阻R為無限大的情況，電荷沒有泄漏即傳感器的開路電壓） 。 前置放大器輸入電壓的幅值UamicaamCCCdFU它與輸入電壓它與輸入電壓Uim之幅值比之幅值比22)()(1)(icaicaamimCCCRCCCRUU第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 令令 1)(11icaCCCR為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù) )(ic

33、aCCCR即有：即有：22111111amimUU)arctan(2arctan21第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系 當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（=0時(shí)，前置放大器的輸入電壓等于零。 當(dāng)1時(shí)，作用力的變化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)，前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。 當(dāng)3時(shí)，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 說明：說明： 在測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓在測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。電式傳感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)

34、好的。 但應(yīng)當(dāng)指出:不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)(傳感器的電壓靈敏度是與電容成反比)。 2233)()(1icamimUCCCRdFUK 增加測(cè)量回路的電容量必然會(huì)使傳感器的靈敏度下降。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 可行的辦法可行的辦法:提高測(cè)量回路的電阻。提高測(cè)量回路的電阻。 傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測(cè)量回路的電傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。 放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。越大，傳感器的低頻響應(yīng)也

35、就越好。 提高前置放大器輸入電阻采取的方法：采用場(chǎng)效應(yīng)管。提高前置放大器輸入電阻采取的方法：采用場(chǎng)效應(yīng)管。 壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。 解決電纜問題的方法解決電纜問題的方法:將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.4.2 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電荷放大器能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，且輸出電源正比于輸入電

36、荷。電壓源，且輸出電源正比于輸入電荷。 一般電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012， 而輸出阻抗小于100。 使用電荷放大器優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無關(guān)。 工作原理 電荷放大器是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器。 K:放大器的開環(huán)增益放大器的開環(huán)增益 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 電荷放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷Q只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓:fcscCQUUfUsc放大器輸出電壓；放大器輸出電壓； Ucf反饋電容兩端的電壓。反饋電容兩端的電壓

37、。 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系 。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓。反饋電容Cf小，輸出就大，因此要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，必須選擇適當(dāng)容量的反饋電容。 電荷放大器輸出電壓公式電荷放大器輸出電壓公式: 由由“虛地原理可知，虛地原理可知，反饋電容反饋電容Cf折合到放大器輸折合到放大器輸入端的有效電容入端的有效電容Cf為為 ffCKC)1 ( 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電元件產(chǎn)生的電荷Q不僅對(duì)反饋電容充電，同時(shí)也對(duì)其它所有電容充電

38、。放大器的輸出電壓 ficascCKCCCKQU)1 ( 可見：輸出電壓是與電纜電容有關(guān)的。只有在放大器的開環(huán)增益K足夠高，并滿足以下條件： )()1 (icafCCCCK放大器的輸出電壓為放大器的輸出電壓為 fscCQU 一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻Rf(約108 1010 )，其功能是提供直流反饋，減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 設(shè)設(shè) C= Ca+Ci+Cc有有 Q=Qf+QcUa: Qc =Ua C 電容電容Cf 的兩端電壓的兩端電壓Uf為：為：Uf: Qf = Uf Cf Q= Ua C + Uf Cf Uf= Ua-Usc Ua= U

39、f+ UscUsc=-k Ua Uf=（1+kUa Q= Ua c+（1+k） Cf ficascCKCCCKQU)1 ( 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 使用電荷放大器的幾點(diǎn)說明使用電荷放大器的幾點(diǎn)說明1傳感器的靈敏度歸一化方法；傳感器的靈敏度歸一化方法； 歸一化的目的：歸一化的目的： 歸一化的方法：歸一化的方法：2傳感器的輸出電纜的接線注意事項(xiàng)；傳感器的輸出電纜的接線注意事項(xiàng)； 切記不要將前置放大器的場(chǎng)效應(yīng)管燒切記不要將前置放大器的場(chǎng)效應(yīng)管燒壞。壞。3環(huán)境因素的影響環(huán)境因素的影響 溫度、濕度都會(huì)影響傳感器的輸溫度、濕度都會(huì)影響傳感器的輸出阻抗及放大器的輸入阻抗。出阻抗及放大器的輸

40、入阻抗。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.5 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電元件直接成為力電轉(zhuǎn)換元件是很自然的。關(guān)鍵是選擇合適的壓電材料、變形方式、機(jī)械上串聯(lián)或并聯(lián)的晶片數(shù)、晶片的幾何尺寸和合理的傳力結(jié)構(gòu)。 壓電元件的變形方式以利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式為最簡(jiǎn)便。 壓電材料的選擇決定壓電材料的選擇決定:所測(cè)力的量值大小、對(duì)測(cè)所測(cè)力的量值大小、對(duì)測(cè)量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 晶片數(shù)目:通常使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。 晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會(huì)導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾晶片機(jī)械串聯(lián)的數(shù)目增加會(huì)

41、導(dǎo)致傳感器抗側(cè)向干擾能力的降低能力的降低; 晶片機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致傳感器加工精度晶片機(jī)械上并聯(lián)的片數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致傳感器加工精度過高過高 。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 1結(jié)構(gòu)原理：結(jié)構(gòu)原理：2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：3使用注意事項(xiàng)：使用注意事項(xiàng)：1.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器YDS781型單向壓型單向壓電式測(cè)力傳感器的結(jié)電式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。構(gòu)圖。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 2.壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：2溫度補(bǔ)償方法：溫度補(bǔ)償方法：3加速度補(bǔ)償原理加速度補(bǔ)償原理(膜片式膜片式)第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 1結(jié)構(gòu)特

42、點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)膜片的作用：密封、傳遞壓力，對(duì)傳感器內(nèi)部膜片的作用：密封、傳遞壓力，對(duì)傳感器內(nèi)部器件進(jìn)行預(yù)緊；器件進(jìn)行預(yù)緊；采用多片晶體機(jī)械上串聯(lián)、電氣上并聯(lián)，以提采用多片晶體機(jī)械上串聯(lián)、電氣上并聯(lián)，以提高傳感器的電荷靈敏度；高傳感器的電荷靈敏度；殼體的剛度較大。殼體的剛度較大。2溫度補(bǔ)償方法溫度補(bǔ)償方法原因：當(dāng)被測(cè)環(huán)境的溫度變化時(shí)，膜片及傳感原因：當(dāng)被測(cè)環(huán)境的溫度變化時(shí)，膜片及傳感器殼體會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生額外器殼體會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致壓電晶體產(chǎn)生額外的電荷輸出，因此需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（如測(cè)量的電荷輸出，因此需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（如測(cè)量火藥燃?xì)鈮毫Γ┗鹚幦細(xì)鈮毫Γ┑诘? 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電

43、測(cè)量技術(shù) 3加速度補(bǔ)償原理加速度補(bǔ)償原理原因：當(dāng)被測(cè)壓力的環(huán)境具有沖擊和振動(dòng)的影響時(shí)，原因：當(dāng)被測(cè)壓力的環(huán)境具有沖擊和振動(dòng)的影響時(shí)，由于壓電晶體及相關(guān)傳感器附件都具有質(zhì)量，則在由于壓電晶體及相關(guān)傳感器附件都具有質(zhì)量，則在加速度的作用下會(huì)產(chǎn)生慣性力，該慣性力作用在壓加速度的作用下會(huì)產(chǎn)生慣性力，該慣性力作用在壓電晶體堆上也會(huì)因加速度的影響產(chǎn)生附加的電荷輸電晶體堆上也會(huì)因加速度的影響產(chǎn)生附加的電荷輸出。出。補(bǔ)償方法補(bǔ)償方法采用溫度補(bǔ)償金屬塊，選用采用溫度補(bǔ)償金屬塊，選用溫度系數(shù)與膜片及殼體相反溫度系數(shù)與膜片及殼體相反的金屬塊。的金屬塊。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 補(bǔ)償方法：采用加速度補(bǔ)

44、償塊及補(bǔ)償晶片，使補(bǔ)償方法：采用加速度補(bǔ)償塊及補(bǔ)償晶片，使加速度產(chǎn)生的額外電荷輸出與補(bǔ)償晶片產(chǎn)生的加速度產(chǎn)生的額外電荷輸出與補(bǔ)償晶片產(chǎn)生的電荷輸出正好抵消。電荷輸出正好抵消。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 3.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器引言：引言： 加速度測(cè)量方法及傳感器分類：絕對(duì)式、加速度測(cè)量方法及傳感器分類：絕對(duì)式、相對(duì)式相對(duì)式 (慣性式慣性式)慣性式慣性式:牽連運(yùn)動(dòng)牽連運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)1)結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理(壓縮式壓電加速度壓縮式壓電加速度傳感器傳感器)第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基座：加厚基座或選用剛度較大的材料；基座：加厚基座或選

45、用剛度較大的材料；質(zhì)量塊質(zhì)量塊m：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏：具有一定的重量，以便提高傳感器的靈敏度；度；引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍引線：直接焊接在晶體表面的金屬片上，一般采用鍍銀電板；銀電板；預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。預(yù)加載荷：由硬彈簧、螺栓、螺母對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 3傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)有：有：)()()()(2222tkydttdycdttyddttxdmmkn（1）引入：引入：mkc2第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 被測(cè)加速度為被測(cè)加速度為)()(22tadttxd則式則式1可寫成：可寫成

46、：atydttdydttydnn)()(2)(222jjHnnnn2)(111)(2222222)(4)(1 11)(nnnaA第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 22222)(4)(1 1)(nnanA2)(12)(nnaarctg結(jié)論：上限頻率取決于傳感器的機(jī)械特性；結(jié)論：上限頻率取決于傳感器的機(jī)械特性； 下限頻率取決于測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)。下限頻率取決于測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)。（4橫向靈敏度橫向靈敏度 指?jìng)鞲衅鲗?duì)垂直于主軸平面內(nèi)的加速度的最大靈敏度。指?jìng)鞲衅鲗?duì)垂直于主軸平面內(nèi)的加速度的最大靈敏度。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因（1） 壓電材料性能的不均勻、

47、壓電片表面粗糙或兩個(gè)表面不平行、壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；（2） 晶體片切割或極化方向有偏差； （3） 傳感器基座上下兩端互相不平行；（4） 基座平面與主軸方向互不垂直，基座平面不平；（5） 質(zhì)量塊或壓緊螺母加工精度不緊；（6） 傳感器裝配質(zhì)量不好，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) ：9.6 9.6 引起壓電式傳感器測(cè)量誤差的因素引起壓電式傳感器測(cè)量誤差的因素 9.6.1 環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 周圍環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。 1石英晶體石英晶體 石英晶體對(duì)溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200，石英

48、的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200400范圍內(nèi)變化也不大。 2壓電陶瓷壓電陶瓷 人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢(shì)大體上如圖所示。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間溫度穩(wěn)定性，一般應(yīng)進(jìn)行人工老化處理。 人工老化處理: 將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加溫和降溫，連續(xù)做一個(gè)星期，加溫和降溫的周期為二小時(shí)。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時(shí)，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會(huì)發(fā)生變化。 普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這

49、主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。 壓電材料的體電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減小的。 傳感器的連接電纜也是一個(gè)至關(guān)重要的部件。普通電纜是不能耐700以上高溫的。 電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機(jī)絕緣材料中使絕緣電阻減低。第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.6.2 環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度的影響 環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能影響很大。如傳感器長(zhǎng)期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻泄漏電阻將會(huì)減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。 要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。 零件表面的光潔度要高。 對(duì)一些長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。 第第9 9章章 壓電測(cè)量技術(shù)壓電測(cè)量技術(shù) 9.6.3 電纜噪聲電纜噪聲 壓電式傳感器的信號(hào)電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，壓電式傳感器的信號(hào)電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。